液态金属凝固原理

UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
浇注温度的影响
1.4.2 铸件晶粒组织的控制
铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响 表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。 铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比 例以及晶粒大小。
•（MnO）+[C] = CO+[Mn] •（SiO2）+2[C] = 2CO+ [Si] •（Cu2O）+2[H] = 2[Cu]+H2O (气)
气孔的危害
1） 有效工作断面 ↓→ σb↓ δ↓
2）
3）
应力集中 →裂纹，如氢脆
疏松 → δ↓气密性 ↓ 耐蚀性↓
气孔的防止
1. 等轴晶组织的获得和细化
（2）孕育处理
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
1. 等轴晶组织的获得和细化
（3） 动力学细化法 1） 控制浇注条件
强化液流冲刷
(a)中心顶注法（Al-0.2%Cu合金）
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics 图 不同浇注工艺铸锭的宏观组织 Focus Area Lecture Notes, G.R.
TiC、VC可起到细化晶粒的作用。
1. 等轴晶组织的获得和细化
（2）孕育处理 铝液中加入Ti，形成 TiAl3.
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
1. 等轴晶组织的获得和细化
（2）孕育处理 B.造成溶质偏析 通过在生长界面前沿的富集而使晶粒根部和树枝晶分枝 根部产生细弱缩颈，从而促进晶粒的游离。如，钢中加入B 可起到细化晶粒的作用。 溶质平衡分配系数： 在一定温度下，固、 液两平衡相中溶质浓 度的比值： k0 = CS / CL
2、内部柱状晶区的形成
• • • • 稳定凝固壳层产生→→柱状晶区开始 内部等轴晶区形成→→柱状晶区结束 柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因素综合作用结果。 生长方式：择优生长
•择优生长:各枝晶主干方向互不 相同，主干与热流方向相平行的 枝晶生长迅速，优先向内伸展并 抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰 掉取向不利的晶体过程中发展成 柱状晶组织。
（1）浇注温度、铸型导热能力：浇注温度越高、铸型导热能力 越强，不利于细晶区形成；
（2）各种形式的晶粒游离（浇注时液体冲刷、液体对流造成）。
（2）合金成分：溶质含量越多，造成“颈缩”，利于细晶区形 成。
（3）非金属夹杂物含量：型壁附近熔体内大量的“非均匀形 核”，利于细晶区形成。 • 细晶区形成的前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层。
1.4.3 凝固缺陷及其控制
铸件中常见的缺陷有：偏析、缩孔、缩松、气孔、 非金属夹杂等，这些缺陷的出现，影响了铸件的质量、 降低铸件的使用寿命，严重时使铸件报废。 通过控制铸造工艺参数可以控制这些缺陷。
1.4.3 凝固缺陷及其控制
1．偏析 铸件中化学成分不均匀的现象称为偏析。 偏析分为微观偏析和宏观偏析两大类。 微观偏析是指在微小范围内的化学成分不均匀现象 ，一般指一个晶粒范围内； 宏观偏析是指在大范围内的化学成分不均匀现象， 表现为铸件各部位之间化学成分的差异，宏观偏析又称 区域偏析。 （1）微观偏析按其形式分为胞状偏析、晶内偏析（枝 晶偏析）和晶界偏析. （2）宏观偏析包括正偏析（正常偏析）与反偏析（反 常偏析）、比重偏析（Pb-Sb,Pb-Sn)。
1.4.2 铸件晶粒组织的控制
1.等轴晶组织的获得和细化
强化非均匀形核 促进晶粒游离 抑制柱状晶区
1. 等轴晶组织的获得和细化
（1） 降低浇注温度 熔体的过热度较小，与浇道内壁接触就能产生大量的游 离晶粒。有助于已形成的游离晶粒的残存，这对等轴晶的 形成和细化有利。
1. 等轴晶组织的获得和细化
•竞争淘汰:离开型壁的距离越远， 取向不利的晶体被淘汰得就越多， 柱状晶的方向就越集中，同时晶 粒的平均尺寸也就越大。
2、内部柱状晶区的形成
凝固壳层→界面处晶粒单向散热→ 晶粒逆热流方向择优生长而形成柱 状晶 柱状晶区影响因素： （1）铸型导热能力： 铸型导热能 力越强，有利于柱状区形成； （2）合金成分：溶质含量越少， 有利于柱状晶区形成。 （3）非金属夹杂物含量：非金属 夹杂物含量少，有利于柱状晶 区形成。
1．偏析 （1）微观偏析：胞状偏析、晶内偏析（枝晶偏析）、 晶界偏析.
1．偏析 （2）宏观偏析 由于结晶过程中液相 与固相内溶质原子的重新 分布造成的。 包括：正偏析、 反偏析、 比重偏析。
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离
3）“结晶雨”游离晶
• 液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分枝→ →密度比液体大 →下沉 →产生晶粒游离。
• 多发生在大型铸锭的凝固过程中
• 铸件中三晶区的形成相互联系、彼此制约 • 稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过 渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区 的形成。 • 晶区的形成和转变是过冷熔体独立形核能力和各种形式晶 粒游离、漂移与沉积的程度这两个基本条件综合作用的结 果。决定了铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细。
第一章
液态金属凝固原理
1.4
金属结晶组织和凝固缺陷的控制
1.4.1 铸件典型晶粒组织的形成及其影响因素
铸件的典型晶粒凝固组织（三个 晶区 ）：
表面细晶粒区：紧靠型壁的外壳 层，由紊乱排列的细小等轴晶所 组成，仅几个晶粒厚。 柱状晶区：由自外向内沿着热流 方向彼此平行排列的柱状晶所组 成。 内部等轴晶区：由紊乱排列的粗 大等轴晶所组成 。
1. 等轴晶组织的获得和细化
（3） 动力学细化法 1） 控制浇注条件 强化液流冲刷
(b)沿型壁浇注法
（c)靠近型壁（6孔）顶注法
图 不同浇注工艺铸锭的宏观组织
1. 等轴晶组织的获得和细化
（3） 动力学细化法 1） 控制浇注条件 强化液流冲刷
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
（2）孕育处理 孕育——向液态金属中添加少量孕育剂促进液态金属内部 形核，以达到增加晶核数、细化晶粒、改善组织之目的。
A.形核剂 ：
a）熔点高，直接作为外加晶核 b）通过与液态金属的相互作用形成高熔点化合物而产 生非均匀晶核－能与液相中某些元素组成较稳定的化合物 如，铝液中加入Ti，形成TiAl3；钢中加入Ti、V等生成
1.4.2 铸件晶粒组织的控制 （1）柱状晶（组织致密、晶粒粗大、 各向异性）： 生长过程中凝固区域窄，横向 生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不 能充分发展，分枝少，结晶后显微 缩松等晶间杂质少，组织致密。 但柱状晶比较粗大，晶界面积 小，排列位向一致，其性能具有明 显的方向性：纵向好、横向差。凝 固界面前方常汇集有较多的第二相 杂质 ，将导致铸件热裂。
2.柱状晶组织的获得
定向凝固
功率降低法
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
单晶体的制备 （1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。 （2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
穿晶组织
3、中心等轴晶区的形成
－－液态金属内部晶核自由生长的结果 • 晶核来源： （1）过冷液态金属直接形核 溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核 （2）随对流漂移到铸件中心的自由小晶体 1）激冷游离晶 2）型壁晶粒脱落 3）液面晶粒沉降（ 结晶雨） 上述晶粒随着液流漂移到铸件心部，通过增殖（枝晶熔 断），长大形成内部等轴晶 （3）共格的非金属夹杂物的非均匀形核
1．偏析
（2）宏观偏析
宏观偏析后果：造成产品各部位性能不均匀。 不能通过均匀化退火消除。 消除宏观偏析的方法：控制凝固速度
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
2.气孔与夹杂
（1）气孔
1）析出性气孔 • 在冷却及凝固过程中，因气体 溶解度下降，析出气体，来不 及从液面排出而形成气孔。H2 孔、N2孔、O2孔。
5 10 15 -3 振幅/(in×10 )
20
振动对晶粒大小的影响（lin=2.54cm）
1. 等轴晶组织的获得 和细化
（3） 动力学细化法 图 利用旋转磁场控制 晶粒组织 柱状晶区（未加磁场） 细等轴晶区（加磁场）
1. 等轴晶组织的获得和细化
（4）提高冷却速度 薄壁铸件：激冷使整个断面同时产生较大的过冷，采用 金属型容易获得细等轴晶。
型壁较厚或导热性较差的铸件，采用金属型容易形成凝 固壳层，易形成柱状晶；采用砂型可防止形成凝固壳层， 有利于形成等轴晶，但晶粒粗大。
2.柱状晶组织的获得
定向凝固
发热剂法、功率降低法、高 速凝固法、液态金属冷却法 等
发热剂法
2.柱状晶组织的获得
定向凝固
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
1. 等轴晶组织的获得和细化
（3） 动力学细化法 2）铸型振动： 熔体在凝固过程中存在长时间、激烈的对流。 （晶粒或枝晶脱落、破碎、游离、增殖） 振动－－机械振动、电磁振动、音频或超声波振动 搅拌－－机械、电磁搅拌 旋转振荡 －周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度
晶粒平均直径/mm
3百度文库2 1 0 0
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
1.4.2 铸件晶粒组织的控制 （2）等轴晶（组织疏松、各向同性）： 晶界面积大，杂质和缺陷分布比 较分散，且各晶粒之间位向也各不相 同，故性能均匀而稳定，没有方向性。 枝晶比较发达，显微缩松较多， 凝固后组织不够致密。 细化能使杂质和缺陷分布更加分 散，从而在一定程度上提高各项性能。 晶粒越细综合性能越好。
1）激冷游离晶
非均质形核的激冷游离晶
因浇注温度低，浇注中形成的激冷游离晶
凝固初期形 成的激冷游 离晶
2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离
型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和 增殖——理论基点为溶质再分配。
图 型壁晶粒脱落示意图
2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离
图 枝晶分枝“缩颈”的形成
a) b) c)为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图。 V为生长方向。d) 分枝缩颈
1.4
金属结晶组织和凝固缺陷的控制
• 晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度随合金性质 和具体凝固条件而变化，在一定条件下，可获得完全由柱 状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织 ：
完全柱状晶
完全等轴晶
1、表面细晶粒区的形成
形成原因：
（1）铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无 方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。 • 细化程度取决于
1.4.2 铸件晶粒组织的控制 对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到 较多的柱状晶，增加其致密度； 对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得 较多的甚至是全部细小的等轴晶组织； 对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界， 防止晶界降低蠕变抗力。
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
2）反应性气孔（皮下气孔） • 金属液－铸型之间、金属液内 部发生化学反应所产生的气孔。
含 氢 量
气孔的形成机理
1、析出性气孔形成 形核、长大、上浮三阶段 上浮受阻 → 保留于凝固金属 →气孔
铸件中气孔的形成示意图
气孔的形成机理
2、反应性气孔形成
（1）金属液与铸型（芯）反应性气孔 原因：铸型水分高、透气性低； 合金中有易氧化成分。 类型：H2O、CO、CH4、渣气孔。 例 钢中氧或氧化物与碳反应形成CO ，CO不溶钢。 •（FeO）+[C] = CO+[Fe]